某鋼管混凝土拱橋加固后荷載試驗(yàn)研究

劉立火

（健研檢測集團(tuán)有限公司，福建 廈門 351000)

1 工程概況

某鋼管混凝土拱橋全長257.24m，橋面寬度為23.4m，橋?qū)捊M成為4.2m（人行道系）+15m（行車道）+4.2m（人行道系），主橋?yàn)槿字谐惺戒摴芑炷翢o鉸拱橋，每孔凈跨為70.2m，矢跨比為1/3，主拱肋軸線為二次拋物線。鋼管拱肋為雙肋啞鈴型，拱肋高2.3m，雙肋間距為16.4m，每孔拱肋之間采用5 根鋼橫撐進(jìn)行連接。主拱圈由2 根直徑為900mm 鋼管加上中腹鋼板支撐形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，啞鈴形鋼管內(nèi)灌注強(qiáng)度等級為C50 高強(qiáng)混凝土。原吊桿采用73 絲φ7 高強(qiáng)鋼絲外包不銹鋼護(hù)套，護(hù)套內(nèi)灌注防護(hù)水泥砂漿，錨具采用墩頭錨。橋面系為裝配式鋼筋混凝上空心板和預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，每跨約為5m，在墩上蓋梁和拱上橫梁設(shè)置板式橡膠支座，全橋共設(shè)置4 道伸縮縫。橋墩和橋臺均采用重力式混凝土結(jié)構(gòu)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩岸橋臺引拱采用凈跨徑為10m 的圓弧拱。橋跨設(shè)計(jì)荷載為汽車超20 級，掛車120 級，人群3.5kN/m2。橋梁按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加固改造施工，具體內(nèi)容如下：全橋吊桿更換成GJ15-22 型環(huán)氧鋼絞線，錨具采用250 夾片式與GJB 擠壓式組合型拉索錨具；增設(shè)加勁縱梁；采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)混凝土裂縫、露筋和剝落等部位；采用環(huán)氧樹脂類灌漿料對主拱圈弦管進(jìn)行壓漿；更換橡膠支座；橋面鋪裝修復(fù)；鋼橫撐和鋼管拱肋做除銹防腐處理等。橋梁立面布置如圖1 所示。

圖1 某鋼管混凝土拱橋立面布置圖

2 荷載試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

橋梁的荷載試驗(yàn)主要分為靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)兩部分。靜載試驗(yàn)主要測量橋梁結(jié)構(gòu)在各試驗(yàn)工況作用下控制截面的應(yīng)變和撓度，并對相應(yīng)的校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行評定，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度及整體剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。動載試驗(yàn)主要對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)，從而獲取橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率和沖擊系數(shù)，以評定橋梁的實(shí)際動力響應(yīng)性能[1][2]。

3 靜載試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 加載車確定

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載汽車超20 級以確定理論計(jì)算荷載[3]，最終加載車采用4輛重量約為40t 的三軸載重貨車，貨車前、中軸距為2.8m，中、后軸距為1.35m，輪距為1.9m。

3.2 試驗(yàn)工況確定

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特征及各跨外觀檢測情況，選擇第3 跨作為試驗(yàn)跨，試驗(yàn)工況和測試項(xiàng)目如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況和測試項(xiàng)目表

3.3 加載方式與測點(diǎn)布置

（1）本工程加載方式采用分級加載，各個工況均分3 級加載，最后一次卸零。

其中工況1～工況4，布置2 列2 排共4 輛車，工況5 布置單排3 列共3 輛車。

工況1～工況4 情況下，2 排加載車縱向均對稱布置于距測試截面2.5m 處（中軸），外側(cè)加載車輪中心距路緣石0.5m 處；工況5 情況下，3 輛加載車單排橫向?qū)ΨQ于道路中心線布置，中軸位于第31#梁頂部。各工況下，車列間距均為1.3m。

在正式加載試驗(yàn)前，采用2 輛加載車在測試位置進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，以消除結(jié)構(gòu)非彈性變形，預(yù)加載后應(yīng)卸至零荷載。

（2）測點(diǎn)布置。在主拱肋測試截面上下緣各布置1 個應(yīng)變測點(diǎn)，采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測量，在橫梁跨中測試截面底面布置1 個應(yīng)變測點(diǎn)，采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量，全橋共布置13 個應(yīng)變測點(diǎn)。在主拱肋左右拱肋測試截面各設(shè)置1 個撓度測點(diǎn)，對應(yīng)處橋面各設(shè)置1 個撓度測點(diǎn)，在31#橫梁跨中設(shè)置1 個撓度測點(diǎn)，全橋共設(shè)置11 個撓度測點(diǎn)，撓度采用百分表和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。

3.4 荷載效率計(jì)算

荷載效率計(jì)算公式如下：

各試驗(yàn)工況荷載效率如表2 所示。

表2 試驗(yàn)工況的荷載效率

3.5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.5.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

工況1 左側(cè)拱肋跨中最大正彎矩截面應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)為0.74～0.87，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～2.17%；工況2 右側(cè)拱肋跨中最大正彎矩截面應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)為0.68～0.87，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～7.14%；工況3 左側(cè)拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和左側(cè)拱肋3#臺拱腳跨最大負(fù)彎矩截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.69～0.90，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～9.09%；工況4 右側(cè)拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和右側(cè)拱肋3#臺拱腳跨最大負(fù)彎矩截面的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.71～0.87，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～10.53%；工況5 第31#橫梁跨中最大正彎矩截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.77，相對殘余應(yīng)變?yōu)?.53%。應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，說明橋梁結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。各工況卸載后的相對殘余應(yīng)變?yōu)?.00%～10.53%，均小于20%，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性變形。

3.5.2 撓度數(shù)據(jù)分析

工況1 左側(cè)拱肋跨中最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.82～0.84，相對殘余變形為4.71%～8.67%；工況2 右側(cè)拱肋跨中最大正彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.74～0.83，相對殘余變形為6.54%～7.18%；工況3 左側(cè)拱肋3/4L 跨最大正彎矩截面和左側(cè)拱肋3#臺拱腳跨最大負(fù)彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.88～0.90，相對殘余變形為1.15%～2.15%；工況4 右側(cè)拱肋3/4L跨最大正彎矩截面和右側(cè)拱肋3#臺拱腳跨最大負(fù)彎矩截面撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.90～0.93，相對殘余變形為1.37%～1.68%；工況5 第31#橫梁跨中最大正彎矩截面撓度的校驗(yàn)系數(shù)為0.72～0.97，相對殘余變形為1.89%～9.64%。撓度校驗(yàn)系數(shù)均小于1.00，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度符合設(shè)計(jì)要求。

卸載后相對殘余變形為1.15%～9.64%，均小于20%，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體處于彈性變形。

4 動載試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 脈動試驗(yàn)與結(jié)果

脈動試驗(yàn)的測點(diǎn)布置在橋面各跨行車道左側(cè)4 等分點(diǎn)處，主拱肋測點(diǎn)則布置在左側(cè)各跨主拱肋3L/4 跨的吊桿處，即布置在11#、26#、41#吊桿上封錨蓋上部。行車道上布置縱向加速度傳感器，吊桿處布置縱向及橫向加速度傳感器，測試橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下的動力響應(yīng)，對橋梁動力響應(yīng)信號進(jìn)行頻譜分析，從而測得橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻尼比。采用Midas Civil 分析軟件對橋梁動力進(jìn)行建模計(jì)算分析，得到橋梁主拱圈1 階橫向振型及頻率，以及橋跨豎向振型與頻率。橋梁主拱圈橫向1 階計(jì)算頻率為0.78Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨實(shí)測1 階橫向自振頻率均為為0.98Hz；各跨豎向1 階計(jì)算頻率為1.94Hz，第1 跨、第2 跨和第3 跨實(shí)測豎向1 階頻率分別為2.05Hz、1.95Hz 和1.95Hz，實(shí)測頻率均大于計(jì)算頻率，說明橋梁結(jié)構(gòu)總體剛度比理論值大，結(jié)構(gòu)均質(zhì)性和傳遞振動能力較好。

4.2 無障礙行車試驗(yàn)與結(jié)果

無障礙行車應(yīng)變測試測點(diǎn)布置在第31#橫梁跨中截面底面，一輛加載車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 的速度勻速行駛經(jīng)過橋面，從而對橋梁結(jié)構(gòu)施加動力荷載，根據(jù)測得的動應(yīng)變時(shí)程曲線，計(jì)算出沖擊系數(shù)，將實(shí)測值與理論值進(jìn)行對比分析，從而獲得橋梁的動力響應(yīng)特性。由橋梁豎向1 階理論頻率為1.94Hz，計(jì)算所得橋梁理論沖擊系數(shù)為0.10[5]，測試截面在行車速度為10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 時(shí)的實(shí)測沖擊系數(shù)分別為0.01、0.07、0.06 和0.01，實(shí)測最大沖擊系數(shù)為0.07＜理論沖擊系數(shù)0.10，說明橋梁結(jié)構(gòu)動力性能較好。

5 結(jié)束語

根據(jù)某鋼管混凝土拱橋加固后靜載和動載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，橋梁結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)整體剛度均滿足設(shè)計(jì)荷載使用要求，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能處于彈性狀態(tài)，動力特性響應(yīng)均正常。